Обоснование параметров горнотехнологических модулей угольных шахт Кузнецкого бассейна

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. Новые экономические условия предъявляют к угольной промышленности повышенные требования в отношении конкурентоспособности продукции и эффективности производства. Программами развития отрасли значительная роль отводится Кузбассу как государственной базе добычи коксующихся и высококачественных энергетических углей. Процесс технического развития предусматривает реконструкцию действующего производственного фонда по добыче и переработке углей и строительство новых высокопроизводительных и эффективных предприятий.

Применение современных механизированных комплексов с производительностью 4−10 тыс. тонн угля и более в сутки обеспечивает мощность шахты на базе одного, максимум двух комплексно-механизированных забоев. Концентрация горных работ требует перехода к простым горнотехнологическим структурам — модулям, интегрируемым энергетическими и транспортными артериями в единый угледобывающий комплекс. Под горнотехнологическим модулем (ГТМ) принимается расположенная на одном выемочном поле совокупность горных выработок и технических средств, включающая один очистной забой и обеспечивающая его ритмичную работу с производительностью более 3000 т/сут. Близкие по своей сущности традиционному выемочному участку, эти модули требуют более тщательного научного обоснования их параметров, прежде всего по причине соизмеримости их мощности с мощностью шахты. Основными параметрами ГТМ являются производительность очистного забоя, длина выемочного столба, длина лавы и глубина разработки, значения которых определяются горногеологическими, горнотехнологическими и экономическими факторами.

Стабильность работы одного горнотехнологического модуля обеспечивает проектную мощность шахты без резерва очистного фронта. Однако технологически неизбежное прекращение очистных работ, например на время выполнения дегазационных, монтажно-демонтажных операций, обусловливает необходимость оценки существенности влияния этого фактора на экономическую эффективность технологической системы в целом.

Особенностью угольных месторождений Кузбасса является их высокая газоносность. В совокупности со значительной угленосностью она предопределяет развитие многоплановых по своему влиянию газогеомеханических процессов в возмущенном горными. работами массиве горных пород, в конечном итоге способных резко снизить эффективность работы горнотехнологического модуля.

Достигнутая в настоящее время производительность очистных забоев и увеличившиеся геометрические параметры выемочных столбов обусловливают изменение газокинетических и геомеханических процессов, происходящих в возмущенном горными работами массиве пород, что затрудняет успешное использование накопленного опыта решения аэрогазодинамических задач.

Таким образом, обоснование параметров горнотехнологических модулей с учетом горно-геологических условий и изучение их влияния на газовую обстановку в очистном забое является актуальной задачей.

Диссертационная работа выполнена автором в 1997;2001 гг. в соответствии с планами НИР Института угля и углехимии СО РАН на 19 972 001 гг., по договорной работе № 105−1995 с Кузбасской финансово-инвестиционной корпорацией «Кузбассинвестуголь».

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Повышение эффективности подземной разработки пологих угольных пластов средней мощности посредством обоснования параметров горнотехнологических модулей угольных шахт Кузнецкого бассейна.

ИДЕЯ РАБОТЫ заключается в использовании установленных связей основных показателей эффективности очистных работ и параметров горнотехнологических модулей с учетом изменения мощности вынимаемого пласта, угла падения, глубины разработки и влияния газового фактора. ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ:

— разработать расчетную схему оптимизации основных параметров горнотехнологических модулей (ГТМ);

— установить зависимость оптимизированных геометрических параметров горнотехнологических модулей (длина выемочного столба, длина очистного забоя) от его планируемой производительности для различных значений мощности, угла падения пласта и глубины разработки;

— выявить влияние времени непроизводительной работы в горнотехнологических модулях на их эффективность;

— уточнить влияние скорости подвигания очистного забоя на его метанообильность при комбинированной схеме управления газовыделением;

— оценить влияние параметров горнотехнологических модулей на характер проявления процесса сдвижения вмещающих пород и газовыделения из выработанного пространства в направлении очистного забояразработать метод определения параметров комплексной схемы управления газовыделением, обеспечивающей безопасную и стабильную работу горнотехнологического модуля.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ. В работе использован комплекс методов исследований, включающий: экономико-математическое моделирование технологических процессов в ГТМ для расчета значения критерия оптимальностисравнение вариантов для определения оптимизированных параметров ГТМ угольных шахт в различных горно-геологических условияхдинамическое моделирование технологической системы с целью определения влияния времени непроизводительной работы на ее эффективность;

— математическую статистику и нормирование фактических данных метанообильности выемочного участка для установления закономерностей развития газокинетических процессов;

— оптимизацию технологических решений по экономическому критерию (минимуму затрат) при определении параметров схем управления газовыделением на выемочном участке.

НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, защищаемые автором: комплексная расчетная схема определяет параметры горнотехнологического модуля с учетом горно-геологических условий, стоимостных характеристик, временных факторов и заданного значения инфраструктуры шахты;

— производительность горнотехнологического модуля конкретизирует значение оптимизированных геометрических размеров выемочных столбов с учетом мощности и угла падения вынимаемого пласта, глубины ведения горных работсокращение времени непроизводительной работы горнотехнологического модуля (дегазационные, монтажно-демонтажные, пусконаладочные и др. операции) имеет нижний предел, значение которого определяется производительностью горнотехнологического модулярост производительности горнотехнологического модуля и увеличение длины очистного забоя приводят к качественным изменениям в аэрогазовом обмене на границе «забой — выработанное пространство" — геометрические размеры горнотехнологического модуля обусловливают периодичность в развитии по длине выемочного столба зон сдвижений пород с соответствующим изменением притока метана из выработанного пространства в направлении очистного забоякомплексная схема управления газовыделением требует больших первоначальных затрат по сравнению с комбинированной, но, интенсивно смещая ограничения производительности очистного забоя по газовому фактору, обеспечивает рентабельность угледобычи, а одна из ее основных составляющих — дегазация массива в определенных горнотехнологических условиях может быть самоокупающейся.

ДОСТОВЕРНОСТЬ научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается: применением апробированных методов экономико-математического моделирования технологических процессов в ГТМпредставительным объемом экспериментальных данных технологических вариантов ГТМ, на основе которых получены оптимизированные значения его параметровиспользованием статистических данных мониторинга шахтной атмосферы выемочных участков с близкими к ГТМ параметрами для установления газокинетических и геомеханических процессов, провоцируемых горными работами в массиве породположительным результатом внедрения научно-исследовательских работ на ОАО «Шахта им. С.М. Кирова» и ОАО «Шахта «Комсомолец».

НАУЧНАЯ НОВИЗНА работы заключается:

— в разработке комплексной расчетной схемы определения основных параметров ГТМ, конкретизирующей их значение с учетом горногеологических условий при заданных показателях инфраструктуры шахтыв установлении взаимосвязи между производительностью и оптимизированными геометрическими параметрами ГТМ для различных значений мощности вынимаемого пласта, угла падения и глубины разработки и уточнение области использования высокопроизводительных, но дорогостоящих импортных механизированных комплексовв установлении нижнего предела сокращения времени непроизводительной работы в зависимости от планируемой производительности ГТМв экспериментальном доказательстве того, что соответствующая оптимизированным параметрам ГТМ скорость подвигания очистного забоя сохраняет существенность своего влияния на снижение относительной метанообильности выемочного участка, а повышенная длина лавы при комбинированной схеме проветривания выемочных участков обусловливает приток метана в очистной забой из выработанного пространствав установлении связи амплитуды и периодичности изменения динамической составляющей метанообильности выработанного пространства с развитием зон сдвижений подрабатываемого массива горных породв разработке метода определения параметров комплексной схемы управления газовыделением, переход на которую обеспечивает стабильную работу горнотехнологического модуля с планируемыми показателями. ЛИЧНЫЙ ВКЛАД АВТОРА состоит: в разработке комплексной расчетной схемы определения основных параметров горнотехнологических модулей в различных горно-геологических условиях и с учетом изменения стоимостных параметровв установлении взаимосвязи между производительностью ГТМ и длинами выемочного столба и очистного забоя с учетом глубины разработки в горно-геологических условиях, благоприятных для использования комплексно-механизированных комплексовв установлении рационального значения времени непроизводительной работы для горнотехнологических модулей угольных шахт в зависимости от их производительностив экспериментальном обосновании зависимостей величины и структуры относительной метанообильности выемочного участка от скорости подвигания очистного забоя и длины лавы, соответствующих параметрам ГТМв установлении связи характеристик динамической составляющей метанообильности выработанного пространства с положением ближайшей к движущемуся очистному забою границы зоны полных сдвижений подрабатываемого массива горных породв разработке метода определения параметров комплексной схемы управления газовыделением, применение которой позволит. обеспечить высокие технико-экономические показатели ГТМ.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ РАБОТЫ. Результаты исследований позволяют:

— обосновывать рациональные параметры ГТМ на стадии проектирования шахты с учетом мощности и угла падения вынимаемого пласта, глубины ведения горных работ;

— определять эффективную производительность ГТМ с учетом технических и стоимостных характеристик механизированных комплексов;

— устанавливать рациональный диапазон длительности дегазационных, монтажно-демонтажных, пусконаладочных и прочих непроизводительных работ в зависимости от планируемой производительности ГТМ;

— оценивать по периодичности изменения относительной метанообильности выработанного пространства развитие процесса сдвижений подрабатываемого массива горных пород для корректировки параметров аэрогазового режима выемочного участка с учетом геометрических размеров выемочных столбовустанавливать область рационального применения комплексной схемы управления газовыделением на выемочном участке.

РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ. Результаты и выводы работы использованы: для создания программного обеспечения определения оптимизированных параметров ГТМ с учетом изменения горно-геологических условий, стоимостных параметров, временных факторовдля принятия технологических решений при планировании горных работ на ОАО «Шахта им. С.М. Кирова" — при обосновании технологических решений по нормализации газовой обстановки на перспективных выемочных участках ОАО «Шахта Комсомолец» и ОАО «Шахта им. С.М. Кирова».

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения работы доложены и получили одобрение на II Международной научно-практической конференции «Безопасность жизнедеятельности предприятий в угольных регионах» (Кемерово, 1998 г.) — III Международной научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири» (Кемерово, 1999 г.), VI Международной. научно-практической конференции «Перспективы развития горнодобывающей промышленности» (Новокузнецк, 1999 г.) — VII Международной научно-практической конференции «Перспективы развития горнодобывающей промышленности в III тысячелетии» (Новокузнецк, 2000 г.) — на конференции молодых ученых, посвященной «100-летию со дня рождения акад. Лаврентьева» (Кемерово, 2000 г.).

ПУБЛИКАЦИИ. Основное содержание работы изложено в 14 опубликованных научных работах.

4.4. Выводы.

1. Разработанный подход позволил выявить особенности аэрогазодинамики горнотехнологических модулей угольных шахт и установить все эмпирические зависимости, необходимые для оперативного комплексного прогноза метанообильности выемочных участков, непосредственно по данным лавы-аналога или ранее отработанной зоны действующего очистного забоя.

2. Установленная зависимость между периодичностью изменения динамической составляющей метанообильности выемочного участка и развитием процесса сдвижений в подработанном массиве позволяет по длине выработанного пространства прогнозировать зоны всплесков метановыделения.

3. Комбинированная схема проветривания выемочных участков с параметрами близкими к ГТМ не может обеспечить безопасную, ритмичную и эффективную их работу.

ГЛАВА 5. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ЗАТРАТ НА ДЕГАЗАЦИЮ ПЛАСТОВ И ВЫРАБОТАННЫХ ПРОСТРАНСТВ.

5.1. Состояние дегазационных работ на шахтах Кузбасса.

Шахты Кузбасса начали применение дегазации (1951 г. на шахтах «Северная» и «Коксовая-2») [101,102] практически одновременно с шахтами США (1947 г.) и достигали достаточно близких результатов по ее эффективности. За этот период создана необходимая нормативно — методическая база по комплексным технологиям извлечения ресурсов углеметановых месторождений. В конце 80-х годов дегазационные системы 48 шахт бассейна (60%) каптировали более 200 млн. м /год. Объем бурения дегазационных скважин измерялся сотнями километров (табл.5.1).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертации на основе выполненных исследований содержится решение задачи по определению оптимизированных параметров горнотехнологических модулей угольных шахт и обоснованию областей применения схем управления газовыделением, имеющих существенное значение для подземной геотехнологии при обосновании параметров систем разработки угольных пластов и для рудничной аэрогазодинамики при изучении аэрогазодинамических процессов на выемочных участках.

Основные научные выводы и практические результаты выполненных исследований заключаются в следующем:

1. Разработанная комплексная расчетная схема позволяет устанавливать оптимизированные параметры горнотехнологических модулей, а именно: эффективную производительность ГТМ и соответствующие ей длины выемочного столба и очистного забоя для условий разработки пологих угольных пластов средней мощности системой разработки длинными столбами с полным обрушением кровли при сложившейся или проектной инфраструктуре.

2. Результаты исследований указывают, что применение дорогостоящей импортной техники экономически эффективно при стабильных суточных нагрузках на комплексно-механизированный забой не менее В тыс. т/сут. Шахты с производительностью менее 8 тыс. т/сут (таких большинство в Кузбассе) целесообразно оснащать отечественными угледобывающими комплексами, имея в работе один или два ГТМ с соответствующими параметрами.

3. При мощности пласта 2 м, залегающего под углом 7°, оптимизированные геометрические параметры следующие: для ГТМ с производительность 3−4 тыс. т/сут длина выемочного столба 3 км, длина лавы 250 мдля ГТМ с суточными нагрузками 5−7 тыс. т/сут длина выемочного столба 4−5 км, длина лавы 240−250 мдля ГТМ с производительностью 7−9 тыс. т/сут длина выемочного столба 5,5−6 км, а длина лавы 260−270 м. При мощности пласта 3 м значение оптимизированной длины выемочного столба ГТМ требуется уменьшить в среднем на 400−500 м, а оптимизированную длину лавы необходимо уменьшить на 25 м, по сравнению с аналогичными величинами, полученными для мощности пласта 2 м. При разработке пласта с углом падения 21° требуется увеличить значение оптимизированной длины выемочного столба в среднем на 300 м, а длину лавы на 10−15 м, по сравнению с аналогичными величинами, полученными для угла падения разрабатываемого пласта 7°.

4. Снижение времени непроизводительной работы имеет нижний предел: для ГТМ с производительностью 3−4 тыс. т/сут он составляет 70−60 днейдля ГТМ с нагрузками 5−7 тыс. т/сут 50−40 дней и для ГТМ с суточной нагрузкой 8−10 тыс. т/сут — 20−15 дней.

5. Рост скорости подвигания очистного забоя в диапазоне от 3 до 11 м/сут снижает относительную метанообильность участка по степенной зависимости с показателем -1,23, способствуя существенному росту величины предельно допустимой по газовому фактору производительности угледобычи. Однако увеличение длины лавы до 250 м при комбинированной схеме управления газовыделением с коэффициентом распределения воздуха от 23 до 57% приводит к формированию устойчивой связи призабойного и выработанного пространств, что обусловливает необходимость перехода к комплексной схеме управления газовыделением.

6. Производительность ГТМ и соответствующая ей оптимизированная длина очистного забоя формируют выраженную периодичность аэрогазодинамических процессов на выемочном участке. Допускаемая по газовому фактору производительность ГТМ в периоды максимальных значений динамической составляющей метанообильности выемочного участка при комбинированной схеме проветривания выемочных участков сокращается в 1,3−1,5 раза. Поддержание проектной производительности ГТМ в этих условиях (3000 т/сут ОАО «Шахта «Комсомолец» и 12 000 т/сут ОАО «Шахта им. С.М. Кирова») приводит к росту затрат на 11 и 23 руб./т соответственно.

7. Положение в пространстве ближайшей к движущемуся очистному забою границы зоны газового дренирования подрабатываемого массива газоносных горных пород определяется по величине острого угла между осью выемочного столба и прямой, соединяющей положение забоя в период минимальных значений динамической составляющей относительной метанообильности выработанного пространства с точкой выхода на поверхность нормали к пласту, проходящей через максимум динамической составляющей. Величины этих углов для условий Ленинского месторождения Кузбасса составляют: 48- 49° для первичного шага просадки подрабатываемого массива- 51- 54° для последующих шагов. Для горнотехнологических условий экспериментальных участков (глубина разработки 250 и 430 м, длина лав 250 и 140 м, среднесуточные скорости подвигания 7 и 4 м/сут) значения шагов полных обрушений подработанного массива соответственно равны: первичный 220 и 400 мпоследующие 195 и 300 м. Это дает основание по длине выемочного столба прогнозировать области проявления максимальных значений динамической составляющей относительной метанообильности и, соответственно, своевременно принимать технологические решения для корректировки параметров аэрогазового режима в ГТМ с уточнением значений геометрических размеров выемочных столбов на стадии проектирования.

8. С переходом на комплексную схему управления газовыделением удельные затраты на добычу угля возрастают на 10−18%, однако в условиях работы ГТМ комплексная схема управления газовыделением способна обеспечить безопасную, стабильную и эффективную работу ГТМ с сохранением оптимизированных параметров.